电动汽车单元锂电池包管理系统采集单元设计

郁奕飞，秦会斌

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018）

电动汽车单元锂电池包管理系统采集单元设计

郁奕飞，秦会斌

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018）

针对电动汽车单元锂电池包电池管理系统中电池信息采样不完全的问题，设计了一种以SPC563M64L5单片机为核心的电池管理模块。模块使用改进型的光耦隔离电路为系统电压采样做隔离，并用二阶有源低通滤波器对电压采样信号进行调理。对锂电池包工作电流的采样使用了霍尔传感器做隔离采样，使用差分放大电路对电流采样信号进行处理。模块在温度检测上运用LM35芯片和NTC电阻分别采集电池包中的环境温度和电池表面温度。测试实验表明，系统对电池包的工作电压和工作电流实现了高精度实时采样，对锂电池包内的温度信息实现了监测。

单元锂电池包；电池检测；光耦隔离；霍尔传感器；温度检测；单片机

1 引 言

随着雾霾等环境问题的日益严峻，电动汽车作为新一代的绿色出行方式越来越受到人们重视。锂电池组作为电动汽车的主要动力来源，是电动汽车最主要的部件之一。锂电池组的性能除了受到制作工艺的影响外，还与工作电压、工作电流和锂电池组的温度等因素有关［1－2］。

针对单元锂电池组的信息实时检测需求设计和开发了一款电源管理系统。系统能对50节18650型锂电池并联所组成的单元锂电池组包进行实时电压电流检测［3］，对锂电池组模块内的多点温度进行实时监控［4］，并且能够做出SOC估计（荷电状态估计）和电池组的均衡性控制［5］。通过该系统能够提高锂电池组的使用寿命和保障电动汽车的行车安全。

2 系统总体结构

系统设计针对的单元锂电池包是由50节18650型锂电池并联组成的，额定容量为200A·h。整个单元锂电池包中的每节单体锂电池都装在铝管中，两头用树脂固定，这样不仅便于散热而且在锂电池漏液时起到保护作用。锂电池组的外部线缆将每节单体锂电池通过熔断器相连接。

单元电池包管理电路主要由电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、电池均衡电路和CAN通信电路组成，系统结构框图如图1所示。电池管理单元（BMU）的主控芯片选用了ST公司的汽车级32位微控制芯片SPC563M64L5。SPC563M64L5芯片具有两个增强型模拟/数字转换器（ADC）和两路独立的支持CAN2.0B传输协议的CAN控制器［6－7］。

图1 单元电池组管理系统总体结构图

3 系统硬件电路设计

3.1 单元锂电池包电压采集单元

单元锂电池包的电压采集单元是由被测单元锂电池包、分压电路、改进型光耦隔离电路、二阶有源低通滤波电路和A/D转换所组成的［8］，采样电路结构如图2所示。采样电压经过电路后由AD＿VOLT节点输入到SPC563M64L5模数转换管脚。为了提高SOC的估计精度，要求对单元锂电池包的电压采样和电流采样同时进行，才能准确地算出瞬时功率。所以SPC563M64L5在采样时采用双路同步采样模式，使用两路ADC对电压和电流进行同时采样。

单元锂电池包两端的电压通过两个精度为万分之五的电阻R1和R5分压后输入到运算放大器中。运算放大器U1A和光耦隔离芯片TLP521－2共同组成改进型光耦隔离电路。根据运算放大器的虚短原理，U1A的正输入端电压与R3上的电压相同。即

所以光耦芯片TLP521－2的7脚的输出电流：

由于在TLP521－2芯片中封装了两对光耦，它们的参数一致性较高，通过TLP521－2中两个发光二极管的电流又是相同的，所以流过R3的电流和通过R10的电流时一致的，即I1＝I2。单元锂电池包在工作时通过的电流较大，产生的热量较高，光耦对管对温度较为敏感，这样的光耦隔离设计可以减小温度对器件的影响。光耦芯片TLP521－2的5脚输出电压：

R6、R7、R8、C6、C7和运算放大器共同组成了二阶有源低通滤波电路，当R6＝R7，C6＝C8时，该低通滤波电路的截止频率f＝1/2πRC。D1和D2用来限制最高输出电压使其不超过SPC563M64L5芯片的管脚耐压值。

图2 单元锂电池组电压采样电路图

3.2 单元锂电池包电流采集单元

单元锂电池包电流采集单元是由霍尔传感器［9］和差分放大器组成的。系统中选用的霍尔传感器型号是HBC50ES5，在无电流通过时，其输出电压为2.5V。当满电流50A输出时，电压为3.125V，压差只有0.625V。为了提高AD采样精度，就要对0.625V的压差进行放大。对于HBC50ES5霍尔传感器输出电压减去2.048V的基准电压后放大2.4倍［10］。最后用SPC563M64L5芯片对得到的采样值和采样电压值一起进行双通道同步采样。

3.3 温度检测电路

单元锂电池包在充电和放电过程中，有一部分能量会以热量的形式释放出来，尤其在大电流充放电的情况下，发热更加明显。如果单元锂电池包内部的热量不能及时释放会使整个锂电池包性能发生不可逆的损坏，甚至会出现爆炸等危险情况。这就需要对单元锂电池包内部的温度实时监控。

系统对于温度的检测分别用了LM35和NTC电阻两种方式。LM35和NTC温度检测电路图如图3所示。LM35可测量的温度范围是－55℃至150℃，具有宽电压供电范围4－30V，非线性失真为±1/4℃。LM35输出电压与环境温度的关系为：

当被测温度为负温度时，LM35输出的电压为负电压，这样电路需要双电源供电。为了使电路在单电源供电时也能检测负温度，所以在电路中添加了二极管D5，这样LM35的输出电压就一直为正电压。LM35输出电压经过同相放大器放大后输入A/D采样器。SPC563M64L5芯片的A/D采样模块对节点AD＿TEMHIGH和节点TEMLOW进行同步采样。计算出LM35芯片的2脚和3脚电压差从而得到温度检测值。

LM35用于检测锂电池包内部的环境温度。系统对电池表面温度精度要求较低，所以NTC电阻用于检测锂电池包内电池表面的温度。A/D转换器转换节点AD＿NTC的电压值，得到锂电池表面温度。

图3 温度检测电路图

3.4 电池均衡电路

车载动力锂电池组是由多个单元锂电池包串联组成的。当单元锂电池包在串联使用时，单元锂电池包性能的不一致性导致每个锂电池包的电压不同，从而影响车载动力锂电池组的寿命和性能［11］。

系统中采用的是电阻并联均衡方式。先将每个单元锂电池包的采样电压值汇总，计算出当前时刻单元锂电池包的平均电压。将每个锂电池包的电压与平均值作比较，当差值大于或小于0.1V时，启动均衡电路对单元锂电池包进行均衡，减小单体电池包之间的电压差。

4 系统软件设计

系统软件的主要任务是采集转换输入SPC563M64L5芯片的电压检测信号、电流检测信号、温度检测信号，并作SOC估计和通过CAN总线输出检测结果。系统软件流程图如图4所示。

在程序初始化时开启了看门狗、定时中断和CAN接收中断。SPC563M64L5芯片做一次12位的A/D转换需要1μs，将定时中断设置为100μs发出中断一次。在一次定时中断中完成连续10次对电压和电流值的采样，去掉采样值中的最大值和最小值之后，将剩余的8次采样结果求平均值。这个平均值就作为100μs中的平均电压和电流值并将上传标志位置1，以便计算SOC和上传实时检测数据。CAN接收中断是用来接收主机发来的信息，比如均衡开启指令就是由CAN接收中断接收的。程序每次主循环中都对LM35和NTC进行采样检测。通过LM35计算单元锂电池包中的环境温度与电压电流采样值一起打包上传。NTC两端的电压值直接与阈值相比较，不做温度转换计算。SOC估计采用的是开路电压法和安时积分法相结合的估算方法。使用开路电压法对单元锂电池包的SOC初始值标定。在动态使用过程中，以实时采样的电压电流值为依据，使用安时积分法计算SOC的变化。

5 测试结果与分析

5.1 电压采样测试结果

在上述软硬件基础上，对系统功能和精度进行测试。在测试单元锂电池包电压测量精度实验中，针对锂电池工作电压范围内的电压值进行测试。选用测试仪器是（Tektronix）DPO4054示波器，室内环境温度为17℃。电压采样测试结果如表1所示。从表1可以看出，系统对锂电池包电压采样的绝对误差在4mV以内，相对误差最大为0.11%，满足系统设计要求。

图4 系统软件流程图

表1 系统电压采样数据与示波器测量数据对比

5.2 电流采样测试结果

系统对电流的采样是通过霍尔传感器和差分放大器实现的。在测试时，选用的测试仪器是（Tektronix）DPO4054示波器，室内环境温度为17℃。单元电池包输出回路中的导线穿过（Tektronix）DPO4054示波器的电流探头钳，测量回路中的电流大小，电流采样测试结果如表2所示。从表2可以看出，系统对锂电池包电流采样的相对误差小于1%，满足系统设计要求。但随着被测电流增大，系统的绝对误差在增大，这与软件线性拟合不到位和HBC50ES5霍尔传感器的精度有关。

表2 系统电流采样数据与万用表测量数据对比

5.3 温度采样测试结果

系统温度的检测测试分别是在6℃、17℃、25℃和30℃的室内环境温度下进行的。测试时选用的测试仪器是FLUKE Ti20热成像仪。温度采样测试结果如表3所示。从表3可以看出，系统温度检测的误差在0.5℃以内，满足系统设计要求。

表3 系统温度采样数据与热成像仪测量数据对比

6 结束语

介绍了一种单元锂电池包的电源管理模块设计方法，设计了相应的改进型光耦隔离电路、基于霍尔传感器的电流采样电路、基于LM35和NTC的温度检测电路。硬件电路结构简单，软件实现方便。通过实验给予不同的电压电流值对系统进行了测试，又在不同温度环境下测试了系统的温度采样精度。经过实验测试证明，设计能对单元锂电池包的电压、电流、温度信息进行实时可靠的采样，为电池包的SOC估计提供准确的数据。

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Design on EV Lithium Battery Package Management System Acquisition

Yu Yifei，Qin Huibin
（School of Electronic and Information Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

Because of the problem of incomplete information sampling in themanagement system of electric vehicle unit lithium battery package，a battery management module，using SPC563M64L5 single－chip microcomputer as the core，is designed in this paper.The modified optical coupling isolation circuit is used as system voltage sampling circuit and the second－order active low－pass filter is used to regulate voltage sampling signal by the module.Meanwhile the hall sensor is used for isolating and sampling the working current of lithium battery package，and the differential amplifier circuit of current sampling is used to process the signal.As to the temperature detection，the LM35 chip and NTC resistance are respectively used to acquire environment temperature of battery package and battery surface temperature.The test results show that the system can realize high precision real－time sampling of battery package working voltage and working current，and the information of temperature in the lithium battery packagemonitoring is realized aswell.

Unit lithium battery package；Battery testing；Optical coupling isolation；Hall sensor；Temperature detection；Single chip microcomputer

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.022

TP273

A

1002－2279（2015）05－0083－05

郁奕飞（1989－），男，浙江省嘉兴市海盐县人，硕士研究生，主研方向：嵌入式仪器仪表设计。

2015－02－06